CN109331716A - 一种涡系混合式被动微混合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡系混合式被动微混合器，属于微流体混合领域，可以在保持较低微通道压降的基础上，维持大通量流体间的高效混合。本发明包括相互密合的上基片与下基片，上基片中设置有入口通道的入口和出口通道的出口，下基片中设置有入口通道、出口通道、主通道和均匀排布的圆弧空腔混合单元，圆弧空腔由主通道连贯构成，所述均匀排布的圆弧空腔混合单元中相邻单元间呈对称分布；圆弧空腔混合单元设计可有效破坏原先的层流状态，产生二次流，并诱导微混合单元内液体混沌流动的生成，对微混合单元内的液体产生有效的延伸剪切、拉伸折叠，实现流体间的高效混合；圆弧壁面结构可有效降低微通道的流体压力损耗，提高微混合器的工作效率。
Description
技术领域
本发明属于微流体混合技术领域，尤其涉及一种涡系混合式被动微混合器。
背景技术
以微流体技术为基础的微流控芯片实验室又称微流控芯片，它利用精密加工技术，通过在几平方厘米硅片、金属或有机聚合物等在材料表面刻蚀几十到几百微米量级的通道结构，将传统生化分析过程所包含的样品获取、试剂分离、目标物检测等基本功能进行微缩集成，借助流体在微通道中流动，完成对待检样品的加样、分离、富集、检测等实验操作，实现对试样中多种组分的快速分离和分析。同常规实验分析、检测设备相比，微流控芯片尺度的缩小并没有影响其功能应用，反而增加了它的独特优势。首先，微流控芯片在操作上简单便捷，减少了实验人员的参与；其次，微通道的存在代替了原有的试管、取样器等实验器材，节省了检测试剂的使用量，尤其是对于特别贵重药品或有毒试剂的使用；微流控芯片的通道结构受尺度因素影响，相比于传统实验器件具有更大的比表面积，利用该优势一方面可以加快待检样品的传热、传质过程，同时也具有加速反应进程，提升检测效率的作用；另外，由于参与实验的试剂量很少，便于对实验过程进行实时控制，对于异常反应可以及时消除，增加了实验的安全性。正是这些优势的存在，降低了实验过程废气、废液等实验废弃物排放量，对“绿色”实验分析的推广具有实际的意义。
微流控芯片作为微型化与集成化的分析、检测器件，其功能的实现大都与物质间的反应有关，介质间有效的接触和充分的混合是实现微流器件功能的重要条件。由于微尺度流动的雷诺数较小，微通道内的液体流动大都处于层流状态，层流混合机制中待混合液体分层不掺混的流动对介质间的有效混合造成了极大的困难。在宏观液体混合领域里，借助湍流流动是促使液体获得充分混合的重要手段，而微流控器件的尺度特性极大地限制了传统混合技术在微流混合领域的应用。因此，随着微流控芯片技术的快速发展并受其巨大发展潜力所激励，微尺度下的流动和混合问题在未来很长一段时间内将成为微流控系统需要关注的一类问题。
混合是一种物理过程，通常指两种或多种不同的物质分子借助扩散、对流或剪切等方式使多种物质成为一种均匀物质相的过程，其目的是实现参与混合的各介质间的均匀分布。在微尺度条件下，由于流体介质扩散导致的物质迁移是由浓度梯度方向上的随机分子运动产生，该过程相当缓慢。为加速流体间混合的进行，常采用在微通道中设置微结构以扰乱原流体的流动迹线，通过改变液体的流动方向来促进介质间的混合。根据是否有外接扰动源，微混合器分为：主动式微混合器和被动式微混合器。主动式微混合器的混合效率虽然较为高效，但其除流体驱动设备外还需要外加扰动源，并且主动式微混合器的微通道结构复杂、不易于加工，同时也不利于微流控芯片的集成；而被动式微混合器则除流体驱动装置外不需其它外接设备，通道结构相对简单，并且易于制造以及微流控芯片集成，因此在微流控芯片上运用较为广泛。现有被动式微混合器技术中复杂的微通道结构，存在加工制造工艺繁杂、微通道压降大、混合效率低等问题。
发明内容
本发明提供了一种涡系混合式被动微混合器，其结构简单，便于加工制作，可以在保持较低微通道压降的基础上，维持大通量流体间的高效混合。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种涡系混合式被动微混合器，包括相互密合的上基片1与下基片2，上基片1中设置有入口通道的入口a10、入口通道的入口b11和出口通道的出口12，下基片中设置有入口通道3、出口通道9、主通道8和均匀排布的圆弧空腔混合单元13，所述圆弧空腔混合单元13由主通道8连贯构成，入口通道3和出口通道9分别位于所述均匀排布的圆弧空腔混合单元13结构的两端，所述均匀排布的圆弧空腔混合单元13中相邻单元间呈对称分布。
以上所述结构中，所述圆弧空腔混合单元13包括第一圆弧边界4、第二圆弧边界5、第三圆弧边界6、第四圆弧边界7，第一圆弧边界4与第三圆弧边界6相切连接，第二圆弧边界5与第四圆弧边界7相切连接，第一圆弧边界4和第二圆弧边界5与该混合单元的入口通道相切连接，第三圆弧边界6和第四圆弧边界7与该混合单元的出口通道相切连接。
作为优选，第一圆弧边界半径4与第四圆弧边界7半径相等，第二圆弧边界5半径与第三圆弧边界6半径相等。
作为优选，主通道8宽度是入口通道3宽度的两倍。
作为优选，所述圆弧空腔混合单元13的第一个混合单元入口到入口通道3的距离与出口通道9的长度相等。
作为优选，任意相邻两圆弧空腔混合单元13间距与出口通道3长度相等。
作为优选，圆弧空腔混合单元13中第一圆弧边界4半径和第二圆弧边界5半径的比值定义圆弧空腔曲径比，其中圆弧空腔曲径比决定圆弧空腔混合单元13的大小。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种涡系混合式被动微混合器，两种不同的互溶性流体通过狭窄的入射通道以一定速度进入突然扩大的混合单元，进入混合腔的流体在圆弧空腔结构的影响下，入射流体会带动周围的部分流体一起向前运动，并趋向右侧(或左侧)壁面形成附壁流动，由此将引起与流体附壁流动所对应的另一侧壁面区域压力降低而形成低压区，此时混合腔内的液体在附壁流动和空腔压差的双重作用下将促使液体产生偏转和回流，并以低压区为核心生成涡流，形成内部循环流动。该循环流动会在靠近入射通道的出路口处，受压差作用而产生一个横向力，从而导致入射流脱离右侧(或左侧)壁面，并摆动偏移至进入下一个混合单元的入口通道内，再次沿左侧(或右侧)壁面产生新的附壁流动；一方面流体在微混合器内借助涡系流动所产生的剪切力破坏原先的层流状态，产生二次流，另一方面流体二次流动会诱发液体产生混沌流动，并借此对微混合单元内的液体产生有效的延伸剪切、拉伸折叠，实现高效的液体混合，而且圆弧壁面结构可有效降低微通道的流体压力损耗，有利于提升微混合器的通量，提高微混合器的工作效率。
附图说明
图1为本发明涡系混合式被动微混合器结构剖面示意图；
图2为本发明涡系混合式被动微混合器微通道结构示意图；
图3为本发明涡系混合式被动微混合器上基片结构示意图；
图4为本发明涡系混合式被动微混合器下基片结构示意图；
图中：1为上基片、2为下基片、3为微混合器入口通道、4为第一圆弧边界、5为第二圆弧边界、6为第三圆弧边界、7为第四圆弧边界、8为主通道、9为出口通道、10为入口通道的入口a、11为入口通道的入口b、12为出口通道的出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
参照图1、图2、图3和图4所示，一种涡系混合式被动微混合器，包括相互密合的上基片1与下基片2，上基片1中设置有入口通道的入口a10、入口通道的入口b11和出口通道的出口12，下基片中设置有入口通道3、出口通道9、主通道8和均匀排布的圆弧空腔混合单元13，所述圆弧空腔混合单元13由主通道8连贯构成，入口通道3和出口通道9分别位于所述圆弧空腔混合单元13结构的两端，所述均匀排布的圆弧空腔混合单元13中相邻单元间呈对称分布。
以上所述结构中，所述圆弧空腔混合单元13包括第一圆弧边界4、第二圆弧边界5、第三圆弧边界6、第四圆弧边界7，第一圆弧边界4与第三圆弧边界6相切连接，第二圆弧边界5与第四圆弧边界7相切连接，第一圆弧边界4和第二圆弧边界5与该混合单元的入口通道相切连接，第三圆弧边界6和第四圆弧边界7与该混合单元的出口通道相切连接。
第一圆弧边界半径4与第四圆弧边界7半径相等，第二圆弧边界5半径与第三圆弧边界6半径相等。
主通道8宽度是入口通道3宽度的两倍。
第一个圆弧空腔混合单元入口到入口通道3的距离与出口通道9的长度相等。
任意相邻两圆弧空腔混合单元13间距与出口通道9的长度相等。
圆弧空腔混合单元13中第一圆弧边界半径4和第二圆弧边界5半径的比值定义圆弧空腔曲径比，其中圆弧空腔曲径比决定圆弧空腔混合单元13的大小。
所述两种不同的互溶性流体由入口通道入口a10和b11分别进入入口通道3，流体会保持一定的流速通过主通道8进入圆弧空腔混合单元13，进入混合腔的流体在圆弧空腔结构的影响下，入射流体会带动周围的部分流体一起向前运动，并趋向第二圆弧边界5的壁面形成附壁流动，由此将引起与流体附壁流动所对应的另一侧壁面第四圆弧边界7附近的压力降低而形成低压区，此时混合腔内的液体在附壁流动和空腔压差的双重作用下将促使液体产生偏转和回流，并以低压区为核心生成涡流，形成内部循环流动。该循环流动会在靠近入射通道的出路口处，受压差作用而产生一个横向力，从而导致入射流脱离第四圆弧边界7的壁面，并摆动偏移至进入下一个混合单元的主通道8内，再次沿圆弧空腔的圆弧边界壁面产生新的附壁流动，如此不断循环。
所述流体在微混合器内借助涡系流动所产生的剪切力会破坏原先的层流状态，产生二次流，并诱导微混合单元内液体混沌流动的生成，由此将对微混合单元内的液体产生有效的延伸剪切、拉伸折叠，以期实现高效得液体混合。且圆弧壁面结构可有效降低微通道的流体压力损耗，有利于提升微混合器的通量，提高微混合器的工作效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施案例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种涡系混合式被动微混合器，其特征在于，包括相互密合的上基片(1)与下基片(2)，上基片(1)中设置有入口通道的入口a(10)、入口通道的入口b(11)和出口通道的出口(12)，下基片中设置有入口通道(3)、出口通道(9)、主通道(8)和均匀排布的圆弧空腔混合单元（13），所述圆弧空腔混合单元（13）由主通道(8)连贯构成，入口通道(3)和出口通道(9)分别位于所述均匀排布的圆弧空腔混合单元（13）结构的两端，所述均匀排布的圆弧空腔混合单元（13）中相邻单元间呈对称分布。
2.根据权利要求1所述的涡系混合式被动微混合器，其特征在于，所述圆弧空腔混合单元（13）包括第一圆弧边界(4)、第二圆弧边界(5)、第三圆弧边界(6)、第四圆弧边界(7)；第一圆弧边界(4)与第三圆弧边界(6)相切连接，第二圆弧边界(5)与第四圆弧边界(7)相切连接，第一圆弧边界(4)和第二圆弧边界(5)与该混合单元的入口通道相切连接，第三圆弧边界(6)和第四圆弧边界(7)与该混合单元的出口通道相切连接。
3.根据权利要求2所述的涡系混合式被动微混合器，其特征在于，第一圆弧边界半径(4)与第四圆弧边界(7)半径相等，第二圆弧边界(5)半径与第三圆弧边界(6)半径相等。
4.根据权利要求1所述的涡系混合式被动微混合器，其特征在于，主通道(8)的宽度是入口通道（3）宽度的两倍。
5.根据权利要求1所述的涡系混合式被动微混合器，其特征在于，所述圆弧空腔混合单元（13）第一个混合单元入口到入口通道(3)的距离与出口通道(9)的长度相等。
6.根据权利要求1所述的涡系混合式被动微混合器，其特征在于，任意两个相邻圆弧空腔混合单元（13）间距与出口通道(9)的长度相等。
7.根据权利要求1或2所述的涡系混合式被动微混合器，其特征在于，圆弧空腔混合单元（13）中第一圆弧边界(4)半径和第二圆弧边界(5)半径的比值定义圆弧空腔曲径比。
8.根据权利要求7所述的涡系混合式被动微混合器，其特征在于，所述圆弧空腔曲径比决定圆弧空腔混合单元（13）的大小。
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